張 云 蘇義坤*

(東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著3D 打印技術的快速發(fā)展，它已成為“第三次工業(yè)革命”標志性技術之一，領導時代發(fā)展的潮流，迅速進入到諸如航空航天、醫(yī)療保健以及產(chǎn)品制造等各種研究領域。毋庸置疑，3D 打印技術已成為能夠改變未來的創(chuàng)新性技術，它將對傳統(tǒng)的社會生產(chǎn)產(chǎn)生巨大的影響。同樣，3D 打印技術與建筑相結合的3D 打印建筑技術，必將成為建筑行業(yè)發(fā)展歷史上的里程碑。

以3D 打印技術為出發(fā)點，介紹3D 打印建筑技術的發(fā)展現(xiàn)狀以及相比傳統(tǒng)的建筑行業(yè)存在的優(yōu)勢，同時結合3D 打印建筑技術目前存在的問題，展望3D 打印建筑技術未來的前景。

1 3D 打印技術發(fā)展分析

1.1 3D 打印的概念

3D 打印技術出現(xiàn)在20 世紀90年代中期，是一種快速成型技術。這種技術是以數(shù)字化模型文件為基礎，利用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，打印機與電腦連接，經(jīng)過逐層連續(xù)打印的方式來構造物體的技術［1］。簡單的來說，3D 打印技術在普通的二維平面打印的基礎上再加一維。

最近10年，3D 打印技術得到了迅猛發(fā)展，其應用已涉及到很多領域，如:生物、醫(yī)學領域已成功地使用3D 打印技術進行人造血管等人體組織器官的制造，對醫(yī)學技術的發(fā)展起到重要的作用;航空航天領域可以利用3D 打印技術制造各種不同的零部件，對生產(chǎn)品質(zhì)進行精確控制;在建筑領域，3D 打印技術能夠極大地提高施工效率，節(jié)約資源，并且可應用于建筑模型風洞實驗和效果展示等。除此之外，3D 打印技術還可應用于汽車工業(yè)、電子電器、服裝首飾、個性設計等眾多領域之中。

1.2 3D 打印的優(yōu)點

3D 打印技術整個過程中不需要使用原胚和模具，而是依據(jù)計算機的圖形數(shù)據(jù)信息，通過增加材料的方法生成任何形狀的物體，這就簡化了產(chǎn)品的制造程序，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，達到了提高效率并降低制造成本的目的［2］。

2 3D 打印建筑

2.1 3D 打印建筑的概念

顧名思義，3D 打印建筑是利用3D 打印技術建造起來的建筑物，由一臺大型的3D 打印機擠壓頭上使用齒輪傳動裝置來建造房屋的基礎和墻體，從而構造出建筑物。

3D 打印建筑技術的基本原理是利用3D 打印技術建造房屋。與其他3D 打印的重要區(qū)別在于3D 打印建筑中的3D 打印機擠壓頭上擠出的是混凝土，由計算機進行智能化的控制，進行層層連續(xù)打印，最終形成建筑物［3］。

3D 打印建筑的技術主要包括3D 打印的油墨，打印油墨主要是由高標號的水泥和玻璃纖維結合構成。這種油墨具有液態(tài)、能耗低、彈塑性高、自然凝固成型、環(huán)保、對人體無傷害、自帶保溫、自重輕以及就地取材等特點，使建筑變得更加環(huán)保舒適［4］。

2.2 目前3D 打印建筑的發(fā)展現(xiàn)狀

3D 打印建筑目前主要是打印建筑的墻體，根據(jù)設計相關需求，能夠任意設計墻體結構。房屋的受力問題主要是通過預留墻體中梁和柱的空間，進行混凝土澆筑來處理;3D 打印出的空心桁架墻體，不僅能夠減輕建筑物的自重，更能夠利用空心墻體進行填充保溫材料，使建筑物的墻體成為自保溫墻體以解決建筑物保溫問題;或者將墻體打印成雙面模板的形式，在其內(nèi)部澆筑混凝土。

目前3D 打印建筑尚未能將門窗及水電管線等連同墻體一次性打印成型，故3D 建筑打印的施工中需將門窗以及水電管線等位置預留。但由于是空心墻體，這些預埋件可以根據(jù)設計或者結構的需要自由布置。

1)國外的發(fā)展現(xiàn)狀。俄羅斯已經(jīng)發(fā)布了一幢3D 打印的建筑，運用的原理是打印墻體的各個部分相當于打印出墻體的各個配件，然后通過組裝形成墻體;荷蘭打印了一個景觀房建筑叫莫比烏斯帶，是用砂石和粘結劑打印若干個模塊進行組裝，但同樣也沒有打印出完整意義上的房子。

在3D 技術的研究方面，國外發(fā)達國家已經(jīng)認識到3D 技術對各個領域的重要性和對傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的沖擊性，以及可能帶來的生產(chǎn)變革，因此，紛紛加快了3D 技術的產(chǎn)業(yè)化研發(fā)應用［5］。以美國和新加坡為例，美國政府僅2013年投資近1 億美元建立了國家增材制造創(chuàng)新研究所，促進3D 技術產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展;新加坡政府在3D 技術的研發(fā)方面投入5 億美元，建立新的3D 打印行業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，促進3D 技術的產(chǎn)業(yè)化運作。

2)國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀。2014年，全球第一批打印的建筑亮相張江青浦科技園，這是3D 技術在我國建筑行業(yè)的一大技術性新突破。這是通過3D 技術打印出的整棟完整的房屋，它是通過一臺大型的3D 打印機，在施工現(xiàn)場就地取材，利用建筑廢棄物，層層疊加連續(xù)打印噴繪而成。

2013年中國3D 打印產(chǎn)業(yè)納入國家的發(fā)展戰(zhàn)略項目，國內(nèi)如成都、武漢等眾多城市已經(jīng)展開3D 技術自主研發(fā)，紛紛加入到3D 打印產(chǎn)業(yè)的行列，開始建立3D 打印產(chǎn)業(yè)園，制定3D 打印產(chǎn)業(yè)的技術發(fā)展路線［6］。對我國建筑領域來說，3D 技術的研究應用無疑能夠帶動建筑業(yè)的發(fā)展，抓緊建筑3D 打印技術的研發(fā)，是行業(yè)發(fā)展的一大機遇。

2.3 3D 打印建筑的優(yōu)點

1)建筑3D 打印能夠消化建筑垃圾。3D 打印建筑材料，也被稱為“油墨”，其實是工業(yè)廢物、礦山尾礦等建筑垃圾的循環(huán)再利用，因此，建筑材料便可就地取材。主要就是通過相應的技術處理、加工分離使建筑垃圾得到循壞利用，重新變成建筑物的原材料，這種循壞利用的方式，使建筑擺脫了粗獷的生產(chǎn)方式，讓建筑更加環(huán)保、節(jié)能、耐久［7］。由于3D 打印建筑技術的材料主要是建筑垃圾與高標號水泥和纖維結合而成，因此能夠有效地利用混凝土材料，降低了水泥需求量，并且可以大幅度提高建筑物使用壽命，這無疑又大大降低了建筑廢棄物的產(chǎn)生，減少了工程的重復建設［8］。

2)提升建筑效率，縮短工期，整體上能做到節(jié)能減排。眾所周知，傳統(tǒng)的建筑施工需要支、綁、澆等一系列繁瑣的施工程序，水泥、沙子、鋼筋、混凝土、腳手架等在現(xiàn)場堆積，造成施工現(xiàn)場紛繁復雜，同時，更需要投入大量的人力，可以說，傳統(tǒng)常規(guī)的建筑施工是一項巨大的生產(chǎn)勞動，牽涉到人員、材料、機械等大量的進出生產(chǎn)。

然而，建筑3D 打印技術，將傳統(tǒng)的建筑施工工序一體化集成，變復雜為簡單，3D 建筑打印技術利用了電腦的智能化操作與控制，使建筑物一次成型，比傳統(tǒng)的建筑方式快10 倍以上，能夠有效地縮短工期;建筑3D 打印技術的數(shù)字智能化能夠減少建筑中的材料損耗和工藝損耗，不需要使用模板，能夠大幅度節(jié)約成本，使建筑具有低碳、綠色、環(huán)保的特點;也不需要數(shù)量龐大的建筑工人，提高了建筑生產(chǎn)效率。

3)避免噪聲影響和施工粉塵，有助于環(huán)境改善。傳統(tǒng)的建筑施工現(xiàn)場總是伴隨著頻繁的材料與構件的運輸、攪拌與澆搗混凝土等作業(yè)的機械轟鳴等各種噪聲，同時水泥、沙土等易飛揚顆粒也造成了施工現(xiàn)場塵土飛揚，因此，傳統(tǒng)的施工現(xiàn)場噪聲與粉塵污染嚴重。

然而，建筑3D 打印技術數(shù)字化的操作過程避免了施工的環(huán)境污染，能夠有助于環(huán)境改善，使建筑施工不影響人類居住的環(huán)境。

4)數(shù)字化3D 建筑打印可作為傳統(tǒng)粗獷建筑行業(yè)的一個解決方案。只要將建筑進行掃描，就可以在數(shù)分鐘之內(nèi)產(chǎn)生復雜的環(huán)境和幾何結構的詳細三維圖像，或者是建筑設計圖紙，然后將所有建筑信息通過計算機控制3D 打印機，從而打印出建筑實體，這種方法快速、成本低、環(huán)保，能夠合乎設計者的要求，并且節(jié)省大量的原材料。

5)能夠體現(xiàn)出建筑的藝術性。由于3D 打印建筑是由計算機控制，因此只需根據(jù)計算機的指令工作，就能夠造出過去難以實現(xiàn)的結構，從而增加建筑的藝術性。

由此可見，3D 打印建筑能夠打印出各種形狀的房屋，而不必受設計以及施工工藝的局限，突破了建筑空間結構的單一性，能夠滿足人們對于建筑藝術性的追求。

2.4 3D 打印建筑技術在整個工程項目建設過程的優(yōu)勢

1)前期開發(fā)階段。目前大多的工程建設項目在前期開發(fā)階段主要是通過二維圖形想象三維空間，這就要求經(jīng)過一定的訓練和具備一定的經(jīng)驗，因此只能通過相關設計圖紙或者意向圖來表達工程項目的需求。而利用3D 模型，可以圍繞模型進行討論，能夠清晰地看出工程建設項目的優(yōu)勢與不足，集思廣益，使工程項目的建設能夠盡可能的表達出各方的利益需求。

2)方案初始設計階段。3D 打印建筑模型能夠很好的展示出建筑物所在區(qū)域的環(huán)境背景，眾所周知，建筑物不是獨立的，它依附于環(huán)境而生。尤其是在大型建筑群的建造過程中，不可避免的要考慮工程項目建成后對其周圍的建筑以及環(huán)境造成的影響，利用3D 打印技術將工程項目所在區(qū)域的背景打印出立體的模型，這能充分展示出設計是否能夠與環(huán)境或者規(guī)劃相符合。

3)提交方案成果階段。設計最終就是要形成包括施工方案、工程成本、是否合乎準則等一系列的任務內(nèi)容。在設計方案提交后，利用3D 打印建筑模型，并且將建筑物所在的環(huán)境也進行三維立體的展示，可以清晰地看出建筑物與環(huán)境之間的協(xié)調(diào)程度，盡可能的避免失敗建筑。

4)項目技術設計和營造階段。項目的技術設計和細部處理、風格展現(xiàn)等方面都可以較現(xiàn)在更加深化細致。例如在裝飾裝修中的內(nèi)飾材料、內(nèi)部空間的陳設和裝飾物品，都能夠通過模型得以展現(xiàn)，這將滿足人們對房屋裝飾的個性化需求。

5)項目的實施階段。工程建設實施階段只需要一臺電腦和打印機、圖紙，就能夠打印出建筑。工程建設的數(shù)字化的控制與施工，可以提高施工效率，有效地縮短建設工期。

6)項目的最終成果展示階段。3D 打印技術制造的模型，不僅僅能在設計階段為建筑師提供參考，也不僅僅是3D 打印工程施工過程中的媒介，更能夠作為一種成果展示工具，展現(xiàn)出建筑的最終形態(tài)。例如，將公司所有完成的工程建筑項目通過3D 建筑模型展現(xiàn)出來，從而使建筑物變得清晰直觀，通過模型便能夠了解建筑而無需進行實地考察，同時也能夠幫助客戶了解建筑的設計風格，贏取客戶的信任，更能夠體現(xiàn)設計風格和能力。

2.5 3D 打印建筑技術存在的問題

目前的3D 打印建筑技術正處于探索研究發(fā)展的階段，對于其建筑房屋的材料保溫、抗震、抗壓等性能還有待進一步研究，因此，不可避免地會存在一些問題。

1)原材料問題。3D 打印建筑相對于建筑施工對原料的要求是不同的，3D 打印建筑所使用的絕大多數(shù)是高強度的特種混凝土材料，普通水泥可能無法同時滿足建筑性能與打印技術的要求，可見3D 打印對于材料特性的要求必須考慮在內(nèi)。3D 打印建筑主要就是通過打印機的噴頭噴出材料從而建造墻體，這就意味著不僅要考慮受力以及機器成型方面的特點，而且對粗細骨料的質(zhì)量提出更高的要求，甚至要采用新的破碎工藝制作。并且外加劑在普通混凝土中的作用可能由于材料的改變，使它在3D 打印建筑中特有的混凝土體系中發(fā)揮的作用以及作用機理也可能會發(fā)生改變［9］。因此，實現(xiàn)3D 建筑打印，材料是首先需要解決的問題。

2)軟件的問題。與傳統(tǒng)建筑施工不同的是，3D 打印建筑技術需首先完成電腦中建筑模型的設計，再通過自動化程序使之轉換為實物，因此，設計軟件成為3D 打印建筑技術準備階段的重要組成部分，而如何實現(xiàn)軟件與現(xiàn)實之間的轉換成為打印混凝土發(fā)展不可或缺的步驟。

3)建筑高度的問題。目前的3D 打印建筑技術所使用機械的能力仍處于平面擴展階段，可適用于低層大面積建筑的建設。而對于廣泛使用的高層建筑還無法進行一次性打印成型，只能通過先打印預制件、再進行組裝的方式來實現(xiàn)，對于高達幾十米乃至上百米的高層建筑，首先必須有滿足建筑高度的打印機;其次，高層建筑結構強度問題以及建筑結構中穿插鋼筋問題也必須得到合理的解決。

4)整幢建筑一次性成型尚存在一定的局限性。3D 打印建筑目前的門窗、水電管線等尚需要在打印過程中預留出來，因此，門窗等需要在建筑物打印完成后進行裝配，未能達到將門窗等包括在內(nèi)的一次性整體成型的效果。這是3D 打印建筑目前存在的局限問題之一。

3 3D 打印建筑的前景

據(jù)不完全統(tǒng)計，由于房屋建筑所帶來的建筑垃圾總量接近30 億t，將近占中國城市垃圾總量的35%，更為嚴重的是，這些建筑垃圾正在以每年3 億t 的數(shù)量增長;然而，我國正在面臨著勞動力資源日趨緊缺、勞動力成本越來越高的嚴峻形勢;我國傳統(tǒng)的建筑行業(yè)生產(chǎn)方式粗獷，使得能源消耗巨大，在能源受限制的情況下，我國的建筑業(yè)不得不尋找新的出路;建筑業(yè)在為我國的GDP 做出巨大貢獻的同時，環(huán)境污染問題卻不容忽視，由此面臨的環(huán)境保護壓力加大。正由于以上原因，如何讓建筑行業(yè)擺脫高耗能、粗獷型的生產(chǎn)方式，從而走上可持續(xù)發(fā)展的道路已成為全國關注的焦點。3D 打印技術作為傳統(tǒng)行業(yè)的革命性技術，也為建筑行業(yè)的轉型提供了一次重要契機，通過改變傳統(tǒng)的建筑工藝，在環(huán)境保護、節(jié)省能源以及縮短工期等方面具有革新性意義。

3D 打印建筑將城市拆遷過程中的建筑垃圾、工業(yè)垃圾、礦山尾礦物等廢棄物變廢為寶，使之重新回到我們的建筑中去，大幅度降低了建筑能耗，讓我們的建筑也走上低碳節(jié)能環(huán)保的道路［10］。

3D 打印建筑技術具有美好的前景，然而3D 打印建筑技術真正的被廣泛推廣應用，重點在于如何真正實現(xiàn)關鍵技術的突破，可能從根本上顛覆傳統(tǒng)建筑業(yè)還有很長的路要走，但不需置疑的是，3D 打印建筑一定會成為未來世界的新標桿。

4 結語

本文分析了3D 打印建筑技術的工作原理，結合3D 打印建筑的發(fā)展現(xiàn)狀，進行了傳統(tǒng)建筑與3D 打印建筑的對比分析，重點介紹了3D 打印建筑低碳節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢，雖然目前3D 打印建筑技術存在不完善的地方，但是在未來的技術發(fā)展與創(chuàng)新中，3D 打印建筑具有很大的研究及推廣潛力。

［1］王忠宏，李揚帆，張曼茵.中國3D 打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路［J］.經(jīng)濟縱橫，2013(1):90-93.

［2］王雪瑩.3D 打印技術與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析［J］.中國高新技術企業(yè)，2012(26):3-5.

［3］李福平，鄧春林，萬 晶.3D 打印建筑技術與商品混凝土行業(yè)展望［J］.混凝土世界，2013(3):28-29.

［4］馬敬畏，蔣正武，蘇宇峰.3D 打印混凝土技術的發(fā)展與展望［J］.混凝土世界，2014(7):41-46.

［5］李紅兵.3D 打印技術的發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析［J］.安徽科技，2013(9):55-56.

［6］王文濤，劉燕華.3D 打印制造技術發(fā)展趨勢及對我國結構轉型的影響［J］.科技管理研究，2014(6):22-25，30.

［7］陶雨濛，張云峰，陳以一，等.3D 打印技術在土木工程中的應用展望［J］.鋼結構，2014(8):1-8.

［8］李志國，陳 穎，簡凡捷.3D 打印建筑材料相關概念辨析［J］.天津建設科技，2014(3):8-12.

［9］王子明，劉 瑋.3D 打印技術及其在建筑領域的應用［J］.混凝土世界，2015(1):50-57.

［10］楊 宇.3D 打印技術在土木工程中的應用展望［J］.現(xiàn)代裝飾(理論)，2014(11):217.